6.1. Sonuçlar
Bu çalıĢmada, elektrik enerjisi üretimi için; inverter birimi PIC 16F877 mikrodenetleyicisi tarafından üretilen PWM sinyalleri ile kontrol edilen tek fazlı düĢük güçlü bir rüzgar enerji sistemi tasarlanmıĢ ve gerçekleĢtirilmiĢtir. Sistemde aküleri Ģarj etmek için dahili Ģarj birimine sahip bir rüzgar türbini kullanılmıĢtır. ÇıkıĢ gerilimi, sinüsoidal PWM tekniği ve geri besleme kullanılarak sabit tutulmuĢtur.
MATLAB/SIMULINK programı kullanılarak sistemin simülasyonu yapılmıĢtır. Tüm simülasyon sonuçlarının deneysel sonuçlar ile uyuĢtuğu gösterilmiĢtir. MATLAB/SIMULINK programında kullanılan elemanlar ideal olarak kabul edilir. Bu nedenle gerçek hayatta kullanılan devre çıkıĢ sinyalleri ile bilgisayar ortamında elde edilen çıkıĢ sinyalleri arasında az da olsa bazı farklılıklar ortaya çıkabilmektedir. Bu durum simülasyon ve deneysel sonuçlarda açıkça görülmektedir.
Deneysel sistem üzerinde çıkıĢa yük bağlandıkça çıkıĢ gerilimi düĢmekte bu durumda PIC mikrodenetleyici geri beslemeye bağlı olarak çıkıĢ gerilimini 220 V’ta sabit tutmak için PWM darbe geniĢliklerini değiĢtirmekte buda darbe sayısının azalmasına ve çıkıĢ geriliminin kare dalgaya dönüĢmesine neden olmaktadır.
Burada gerçekleĢtirilen rüzgar enerji sistemi düĢük güçlü bir sistem olmakla birlikte daha yüksek güçlerde de gerçekleĢtirilebilir. Mevcut sistem bu haliyle düĢük güç ihtiyacı olan uygulamalarda rahatça kullanılabilir.
6.2. Öneriler
Bundan sonra konuyla ilgili çalıĢma yapacak araĢtırmacılar, ilk olarak inverterin gücünü yükseltebilirler. Bunun için güç seviyesi daha yüksek anahtarlar kullanılmalı ya da aynı güç seviyesindeki anahtarlar paralel bağlanmalıdır. Ayrıca trafonun gücü de artırılmalıdır. Yalnız bu durumda maliyetin ve inverterin boyutlarının artacağı göz önünde bulundurulmalıdır.
73
Ġkinci olarak Mevcut durumda çıkıĢ geriliminin seviyesinin korunması için PWM darbe sayıları azalmakta ve çıkıĢ gerilimi kare dalgaya dönüĢmektedir. Bu da çıkıĢ geriliminin dalga Ģeklini sinüsten uzaklaĢtırmaktadır. ÇıkıĢta sinüse yakın dalga Ģekilleri elde etmek için dönüĢtürme oranı 12/220 yerine 12/240 gibi bir oranda olmalıdır. Böylece yüke bağlı olmaksızın çıkıĢta 220 V 50 Hz frekanslı AC çıkıĢ gerilimi elde edilebilir.
Üçüncü olarak, dönüĢtürücü güç anahtarlarına uygulanan PWM sinyallerinin frekansı artırılabilir. Böylece inverter çıkıĢ gerilimi ve yük akımı daha düzgün hale gelebilir. Ancak bunun için klasik mikrodenetleyicilerin yerine daha yüksek frekanslarda çalıĢabilen DSP (Digital Signal Processor) kullanılmalıdır.
74
KAYNAKLAR
Akkaya, R., 2008, Yenilenebilir enerji sistemlerinde güç elektroniği uygulamaları,
Yüksek Lisans Ders Notları
Aphiratsakun, N., Bhaganagarapu, S.R., Techakittiroj, K., 2005, Implementation of a Single-phase unipolar inverter using DSP TMS320F241, Assumption University, Thailand
Barbu, C., 2009, Wind energy systems-challenges for the future, Symposium on Control
& Modeling of Alternative Energy Systems, April 2-3.
Bayram, Y., 2007, PIC kontrollü kesintisiz güç kaynağı tasarımı ve gerçekleĢtirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta.
Carrasco, J. M., Bialasiewicz, J. T., Guisado, R. C. P., Leon, J. I., 2006, Power- electronic systems fort he grid integration of renewable energy sources: a survey,
Ieee Transactions on Industrial Elecrtonics, Vol. 53, No. 4, August.
Demir, F. N., 2007, Rüzgar türbinleri, Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi
Makine Mühendisliği Bölümü, Ġzmir, 6-18.
Dursun, E., Binark, A.K, 2008, Rüzgar Türbinlerinde Kullanılan Generatörler, VII.
Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, UTES’2008, Ġstanbul, 667-673.
Druga, M., Nichita, C., Barakat, G., Ceanga, E., 2009, Stand-alone wind power system operating with a specific storage structure, International Conference on
Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ’09), Valencia (Spain).
Doğan, H., 2006, Uzay vektör PWM kontrollü tek fazlı kesintisiz güç kaynağının tasarımı ve gerçekleĢtirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi Fen
Bilimleri Enstitüsü, Konya, 29-44.
Emniyetli, G., 2007, Evsel elektrik ihtiyacının karĢılanması için rüzgar türbini tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Edirne, 20-30. Ergür, Ö., 2006, Rüzgar Türbinleri Ġle enerji Üretimi, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 30-31.
Ghita, C., Deaconu, D. I., Chirila, A. I., 2009, Lab model for a low power wind turbine system, International Conference on Renewable Energies and Power Quality
(ICREPQ’09), Valencia (Spain).
75
Kassem, M., 2010, The International Conference on Renewable Energies, MD,
Engineer Fidel Ibrahim Assad academy for military engineering, Syria.
Kim, H.,S., Lu, D., D., 2010, Wind energy conversion system from electrical perspective – a survey, Smart Grid and Renewable Energy, Australia, 120-122. Köse, F., Özgören M., 2005, Rüzgar enerjisi potansiyeli ölçümü ve rüzgar türbini
seçimi, Mühendis ve Makine, Cilt 46 Sayı: 551.
Ortaç, O., 2007, DA/AA DönüĢtürücü, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen
Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 14-29.
Özer, Z., Yılmaz, A. S., YEKSEM 2005, Rüzgar türbinlerinin kanat açılarının yapay sinir ağı tabanlı denetimi, 1-5.
Panda, S., Mishra, A., Srinivas, B., 2009, Control of voltage source inverters using PWM/SVPWM for adjustable speed drive applications, National Institute Of
Technology Rourkela, Rourkela,
SarıtaĢ, M., Aydemir, M.T., Dalbaz, A., 2002, 700 VA Kesintisiz güç kaynağı devresinin tasarımı ve gerçekleĢtirilmesi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., Cilt 17 (1), 33-42.
Savory, E., 2009, Energy conversion, Department of Mechanical and Material
Engineering University of Western Ontario.
Türkmen, T. T., 2005, Lokal bir rüzgar santrali tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, Fırat
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, 4-29.
Toprak, A., 2009, Rüzgar türbinleri ve generatörleri, Yüksek Lisans Semineri, Selçuk
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya.
Yalçın, F., 2009, Bir fazlı inverter tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 6-40.
Yılmazlar, Ġ., 2007, Single phase inverter desing for LCD TV, Dokuz Eylül Üniversitesi
76
EKLER
EK-1: Rüzgar Enerjisinin Tarihçesi ve Türkiye’deki Durumu
Rüzgar enerjisi günümüzden çok öncelere dayanmaktadır. Sanılanın aksine ilk defa Asya medeniyetlerinden olan Çin, Tibet, Hindistan, Afganistan ve Ġran’da kullanıldığı bilinmektedir. Rüzgar türbinleri kullanımına ait ilk bilgiler Büyük Ġskender tarafından M.Ö. 200-300 yıllarında basit yapıdaki yatay eksenli rüzgar türbinleri hakkındadır. Ayrıca M.Ö. 700 yıllarında Farslılarında düĢey eksenli rüzgar türbinleri kullandığı somut kanıtlardan bilinmektedir.
Rüzgar gücü kullanımı, Asya’dan Avrupa’ya 10. yüzyıl civarında geçmiĢtir. Bu geçiĢin ilk belirtileri olarak 11. ve 12. yüzyılda rüzgar güllerinin kullanıldığı bilinmektedir. Mesela 1190’lı yıllarda Alman Haçlıları rüzgar güllerini Suriye’ye getirmiĢtir. Dolayısı ile ortaçağ döneminde rüzgar enerjisinin Avrupa’da kullanıldığını görmekteyiz. O dönemlerde ve hala günümüzde birçok ülkede çiftçiler tarafından kullanılan rüzgar gülleri daha çok kuyulardan su çekmek amacına yönelik olarak kullanılmıĢtır. Hollanda ve Akdeniz’deki birçok adada bunların örnekleri görülmektedir.
Endüstri devrimi ile beraber, 18. yüzyılda buhar makinelerinin ortaya çıkması sonucu dünya, enerji gücünün temini için termodinamik iĢlemlere dayanan makinelerden yararlanmaya baĢlamıĢtır. Özellikle kömür, petrol ve gaz gibi fosil yakıtların kullanımı ile beraber, bu makineler daha avantajlı duruma gelmiĢtir. Ġstenildiği zaman enerji kaynağı sağladıkları için, rüzgar enerjisinden daha popüler hale gelmiĢtir. Bu yüzden 19. yüzyıl ve 20. yüzyıl ortalarına kadar rüzgar enerjisinin önemi azalmıĢtır. Sadece Amerika, Rusya ve Avustralya gibi nüfusu dağınık olarak bulunan ülkelerde rüzgar enerjisi çiftçiler tarafından su çekmek için kullanılmıĢtır.
Günümüzde rüzgar enerjisine olan rağbet arttığından, potansiyel belirleme ile ilgili birçok çalıĢmalar yapılmaktadır. Yapılan çalıĢmalar hem teorik hem pratik amaçlı olmaktadır.
77
Rüzgar enerjisinden elektrik enerjisi üretmeyi ilk düĢünen Poul La Cour (1846- 1908) Askov Danimarka’da yaĢamıĢtır. Rüzgardan elektrik üreten ilk türbini 1891 yılında yapmıĢtır. La Cour Askov Folk High School’da rüzgar enerjisi ile ilgili çeĢitli dersler vererek konunun önemini anlatmaya çalıĢmıĢtır. Askov Folk High School’da 1897 yılında La Cour tarafından yapılan rüzgar türbini 89 W gücünde idi. 1905 yılında La Cour Rüzgar Elektrikçileri Birliği’nin kuruculuğunu yapmıĢ ve bunun sonucunda rüzgar kuvvetinin elektrik enerjisi üretimi amaçlı kullanımı yaygınlaĢmıĢtır. Diğer taraftan 1918 yılına ulaĢıldığında, Danimarka’da elektrik üretim amaçlı 120 adet rüzgar türbini bulunmakta idi. Güçleri 20 ile 35 kW arası değiĢen bu türbinler, toplam 3 MW kurulu gücüne ulaĢmıĢtı.
Ġkinci dünya savaĢı yıllarında Danimarkalı bir Ģirket tarafından doğru akım üreten 2 ve 3 kanatlı rüzgar türbinleri inĢa edilmiĢtir. 1951 yılından sonra doğru akım üreten generatörler, yerini yavaĢ yavaĢ alternatif akım üreten 35 kW asenkron generatörlere bırakmaya baĢlamıĢlardır. 1956-1957 yıllarında 200 kW gücünde ilk Gedser rüzgar türbini yapılmıĢtır. 1960’lı yıllardan sonra rüzgar enerjisinden elektrik enerjisi üretimi ekonomik nedenlerle azalma göstermiĢtir. Daha ucuz olan fosil yakıtlar (kömür, petrol, doğal gaz vb.) kullanılarak yapılan termik santraller revaçta olmaya baĢlamıĢtır. Fakat 1970’li yıllarda meydana gelen petrol krizi insanoğlunu tekrar alternatif enerji kaynakları aramaya itmiĢtir. Rüzgar, güneĢ, jeotermal vb. gibi alternatif enerji kaynaklarının yenilenebilir olması, çevre kirliliğine yol açmaması, ham maddeye gereksinim duymaması gibi sebeplerden dolayı tekrar kullanılmaya baĢlanmıĢtır.
Günümüzde rüzgar enerjisi sektörü dev bir sektör haline gelmiĢtir. Kullanılan mevcut rüzgar gücü, dünyadaki toplam elektrik enerjisi üretiminde %1’lik bir paya sahipken, önümüzdeki dönemde bu oranın artacağı tahmin edilmektedir. Amerika BirleĢik Devletleri 2020 yılında elektrik enerjisinin %5’in rüzgar gücünden temin etmeyi amaçlamaktadır.
Türkiye’de Rüzgar Enerjisi Potansiyeli: Türkiye’de genel amaçlı rüzgar ölçümleri
diğer ölçümlerle birlikte Devlet Meteoroloji ĠĢleri (DMĠ) Genel Müdürlüğü tarafından uzun yıllardır yapılmaktadır.
Ülke genelinde yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarına dayalı plan ve programların yapılabilmesi, bu kaynakların her birinin potansiyellerinin belirlenmesiyle mümkündür. Bu amaçla, ilk adım olarak, DMĠ Genel Müdürlüğüne ait istasyonların 1970-1980 yılları arasındaki kayıtları değerlendirilerek ülke genelinde doğal rüzgar
78
enerji dağılımı, aylık rüzgar ölçümleri baz alınarak tespit edilmiĢtir. Sonuçlar “Türkiye Rüzgar Enerjisi Doğal Potansiyeli” çalıĢması olarak yayınlanmıĢtır.
Bu çalıĢma sonucunda;
Marmara Denizi kıyıları ve iç kısımları
Ege denizi ve güneybatı Akdeniz kıyıları
Doğu Akdeniz kıyıları
Orta Anadolu’da tuz gölünün güneyi
Güneydoğu Anadolu olmak üzere rüzgar bakımından zengin altı bölge belirlenmiĢtir (Türkmen 2005).
Türkiye’deki rüzgar enerjisi kaynakları teorik olarak Türkiye’nin elektrik ihtiyacının tamamını karĢılayabilecek yeterliliktedir. Fakat rüzgar enerjisinin sisteme giriĢinin tutarlı bir biçiminde gerçekleĢmesini kolaylaĢtırmak üzere gerekli altyapı tasarlanmalıdır.
Türkiye'nin teknik potansiyeli 83.000 MW’tır. Bu, Türkiye’nin biran önce kullanması gereken önemli bir rüzgar enerjisi potansiyeli olduğunu göstermektedir. Türkiye’nin Anadolu ve Avrupa kısımlarına dengeli bir dağılımla seçilen 20 meteorolojik istasyon çevresinde Türkiye Rüzgar Atlası çalıĢmaları 1989 yılında tamamlanmıĢtır. Bu çalıĢma meteoroloji istasyonlarında toplanan verilerin rüzgar enerjisinden yararlanmak amacıyla yapılacak çalıĢmalarda kullanılabilecek düzeyde olmadığını kanıtlamıĢtır. Türkiye Rüzgar Enerjisi Birliği (TÜREB)’nin kuruluĢundan sonra yatırımcılar, akademisyenler, imalatçılar ve diğerleri Türkiye’de rüzgar enerjisi geliĢimini desteklemek üzere bir araya geldiler. 1996 yılında Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı (ETKB)’nın Türkiye’de rüzgar enerjisi kullanımına iliĢkin politikası pek iyimser değildi. Resmi açıklamalar Türkiye’de rüzgar enerjisi geliĢimine çok Ģans tanımıyorlardı. Son üç yıldır, TÜREB’nin çabaları ve ETKB ile Elektrik ĠĢleri Etüt Ġdaresinin TÜREB çalıĢmalarına katılımı sonrası Türkiye’deki rüzgar enerjisi potansiyeli kabul görmeye baĢlamıĢtır.
Türkiye’deki Enerji Üretim ve Tüketimi: Ülkemiz, Enerji ve Tabii Kaynaklar
bakanlığı verilerine göre 2005 yılı itibariyle birincil enerji kaynaklarından 25.185 bin ton eĢdeğer petrol (BinTEP) enerji üretmiĢ, 91.576 BinTEP enerji tüketmiĢtir. ġekil 1’de görüldüğü gibi tüketilen enerji ile üretilen arasındaki fark ithal edilen enerjiyi
79
göstermektedir. Bu değer ise 66.391 BinTEP’dir. Türkiye tükettiği genel enerjinin %70’ini dıĢ kaynaklardan sağlayan bir ülkedir. Yani ihtiyacı olan enerjinin yarıdan fazlasını ithal etmektedir. Bu da enerji konusunda ülkemizin dıĢa bağımlı olduğunun çok açık bir göstergesidir. Ülkemizdeki hızlı sanayileĢme nedeni ile yıllık enerji ihtiyacımız 60 GW civarındadır.
ġekil 1. Türkiye’nin Yıllara Göre Enerji Üretim ve Tüketimi
Bu rakamlar bile ülkemizde enerji kapasitesinin alternatifli olarak geliĢtirilmesini ve enerjinin tasarruflu kullanılmasının önemini açıkça ortaya koymaktadır. Bununla birlikte enerji taleplerinin karĢılanmasında, yerli/ithal kaynak oranı, enerji güvenliği, dünya enerji piyasalarındaki arz geliĢmeleri ve ekonomikliği göz önüne alınarak optimize edilmelidir. Türkiye’nin sahip olduğu birincil enerji kaynaklarının %50’sini çok düĢük ısıl değerli ve yüksek küllü linyitler oluĢturmaktadır.
Hızlı bir sanayileĢme süreci içinde olan ülkemizde zorunlu olarak elektrik talebi artmaktadır. Rüzgar enerjisi, daha düĢük kurulum maliyeti ve yap-iĢlet-devret mantığı ile kurulacak olan tesislerde ülkemiz için artan enerji talebini bir miktarda olsa karĢılayacak düzeye gelmektedir. Türkiye de rüzgar enerjisi kullanımının artırılmasına yönelik olarak, Türkiye rüzgar haritası çıkarılmıĢ ve bölgelere göre kurulabilecek tesislerin değerlendirilmesi yapılmıĢtır. Türkiye’de rüzgar hızı ve potansiyeli dağılım haritaları Ģekil 2 ve Ģekil 3’de verilmiĢtir.
Kurulu rüzgar gücünün artırılması için gerekli lisans ve üretim çalıĢmaları son birkaç yılda hızlanmıĢtır.
80
ġekil 2. Rüzgar Hızı Dağılım Haritası
81
EK-2: GerçekleĢtirilen Sistemin MATLAB Simulink Modeli powergui
Continuous
Wind Turbine
Generator speed (pu) Pitch angle (deg) Wind speed (m/s) Tm (pu) Vy v + - Vinv v + - Vdc v + - Transfomator 1 2 Scope Repeating Sequence Stair Permanent Magnet Synchronous Machine Tm m A B C PWM Uref Pulses L Iy i + - Inverter g A B + - Feedback in Out Demux Constant 0 C2 C1 A B C C Bridge A B C + -
82
ÖZGEÇMĠġ KĠġĠSEL BĠLGĠLER
Adı Soyadı : AHMET TOPRAK
Uyruğu : T.C.
Doğum Yeri ve Tarihi : BOZKIR 07.07.1979
Telefon : 0532 3536004
Faks : 0332 4261444
e-mail : ahmettoprak42@gmail.com
EĞĠTĠM
Derece Adı, Ġlçe, Ġl Bitirme Yılı
Lise : Z.K. Anadolu Denizcilik Meslek Lisesi, Ġstanbul 1997
Üniversite : S.Ü. Endüstriyel Elektronik, Konya 2003
: F.Ü. Elektrik-Elektronik Mühendisliği, Elazığ 2007 Yüksek Lisans : S.Ü. FBE Elektrik-Elektronik Müh. A.B.D., Konya 2011 Doktora : ---
Ġġ DENEYĠMLERĠ
Yıl Kurum Görevi
2007-Devam S.Ü. Bozkır MYO Öğretim Görevlisi
UZMANLIK ALANI
Yenilenebilir Enerji, Rüzgar Enerjisi, Elektrik Makineleri.
YABANCI DĠLLER
Ġngilizce
BELĠRTMEK ĠSTEĞĠNĠZ DĠĞER ÖZELLĠKLER